Основы физики горения и взрыва

Q = Qг = 882.6 = 55.16 кДж г = 55.16 ×103 кДж кг.

M 16

·Найдем объем 1 кг метана, зная его плотность ρ=0.717 кг/м3 при нормальных условиях:

· Определим теплотворную способность 1 м3 метана:

Q = 55.16 ×103 = 39.54 ×103 кДж м3 = 39.54 МДж м3 . 1.395

Аналогично определяется теплотворная способность любых горючих газов. Для многих распространенных веществ значения теплоты горения и теплотворной способности были измерены с высокой точностью и приведены в соответствующей справочной литературе. Приведем таблицу значений теплотворной способности некоторых газообразных веществ (табл. 5.1). Величина Q в этой таблице приведена в МДж/м3 и в ккал/м3, поскольку часто в качестве единицы теплоты используется 1 ккал = 4.1868 кДж.

Горючее вещество – жидкость или твердое тело

В качестве примера проведем расчет теплотворной способности этилового спирта С2Н5ОН, для которого теплота горения Qг = 1373.3 кДж/моль.

·Определим молекулярную массу этилового спирта в соответствии с его химической формулой (С2Н5ОН):

М= 2·12 + 5·1 + 1·16 + 1·1 = 46 г/моль.

·Определим теплотворную способность 1 кг этилового спирта:

Аналогично определяется теплотворная способность любых жидких и твердых горючих. В табл. 5.2 и 5.3 приведены значения теплотворной способности Q (МДж/кг и ккал/кг) для некоторых жидких и твердых веществ.

Таблица 5.2

Теплотворная способность жидких топлив

Формула Менделеева

Если теплотворная способность топлива неизвестна, то ее можно рассчитать с помощью эмпирической формулы, предложенной Д.И. Менделеевым. Для этого необходимо знать элементарный состав топлива (эквивалентную формулу топлива), то есть процентное содержание в нем следующих элементов:

-кислорода (О);

-водорода (Н);

-углерода (С);

-серы (S);

-золы (А);

-воды (W).

Впродуктах сгорания топлив всегда содержатся пары воды, образующиеся как из-за наличия влаги в топливе, так и при сгорании водорода. Отработанные продукты сгорания покидают промышленную установку при температуре выше температуры точки росы. Поэтому тепло, которое выделяется при конденсации водяных паров, не может быть полезно использовано и не должно учитываться при тепловых расчетах.

Для расчета обычно применяется низшая теплотворная способность Qн топлива, которая учитывает тепловые потери с парами воды. Для твердых и

жидких топлив величина Qн (МДж/кг) приближенно определяется по формуле Менделеева:

где в скобках указано процентное (масс. %) содержание соответствующих элементов в составе топлива.

В этой формуле учитывается теплота экзотермических реакций горения углерода, водорода и серы (со знаком «плюс»). Кислород, входящий в состав топлива, частично замещает кислород воздуха, поэтому соответствующий член в формуле (5.1) берется со знаком «минус». При испарении влаги теплота расходуется, поэтому соответствующий член, содержащий W, берется также со знаком «минус».

Сравнение расчетных и опытных данных по теплотворной способности разных топлив (дерево, торф, уголь, нефть) показало, что расчет по формуле Менделеева (5.1) дает погрешность, не превышающую 10%.

Низшая теплотворная способность Qн (МДж/м3) сухих горючих газов с достаточной точностью может быть рассчитана как сумма произведений теплотворной способности отдельных компонентов и их процентного содержания в 1 м3 газообразного топлива.

Qн = 0.108[Н2] + 0.126[СО] + 0.358[СН4] + 0.5[С2Н2] + 0.234[Н2S]…, (5.2)

где в скобках указано процентное (объем. %) содержание соответствующих газов в составе смеси.

Всреднем теплотворная способность природного газа составляет примерно

53.6МДж/м3. В искусственно получаемых горючих газах содержание метана СН4 незначительно. Основными горючими составляющими являются водород Н2 и оксид углерода СО. В коксовальном газе, например, содержание Н2 доходит до

(55 ÷ 60)%, а низшая теплотворная способность такого газа достигает 17.6 МДж/м3. В генераторном газе содержание СО ~ 30% и Н2 ~15%, при этом низшая теплотворная способность генераторного газа Qн = (5.2÷6.5) МДж/м3. В доменном газе содержание СО и Н2 меньше; величина Qн = (4.0÷4.2) МДж/м3.

Рассмотрим примеры расчета теплотворной способности веществ по формуле Менделеева.

Пример 1.

Определим теплотворную способность угля, элементный состав которого приведен в табл. 5.4.

Таблица 5.4

Элементный состав угля

∙ Подставим приведенные в табл. 5.4 данные в формулу Менделеева (5.1) (азот N и зола A в эту формулу не входят, поскольку являются инертными веществами и не участвуют в реакции горения):

Qн=0.339·37.2+1.025·2.6+0.1085·0.6–0.1085 ·12–0.025 ·40=13.04 МДж/кг.

63

Пример 2.

Определим количество дров, необходимое для нагрева 50 литров воды от 10°С до 100°С, если на нагревание расходуется 5% теплоты, выделяемой при

∙ Определим количество теплоты, необходимое для нагрева m=50 кг воды:

Q1= сmDT = 4.1868×50 ×(100 -10) = 18.84 МДж .

∙ Найдем теплотворную способность дров по формуле Менделеева (5.1):

Qн=0.339·43+1.025·7–0.1085 ·41–0.025 ·7= 17.12 МДж/кг.

∙Определим количество теплоты, расходуемое на нагрев воды, при сгорании 1 кг дров (с учетом того, что на ее нагрев расходуется 5% теплоты (α=0.05), выделяемой при горении):

Q2=αQн=0.05·17.12=0.86 МДж/кг.

∙Определим количество дров, необходимое для нагрева 50 литров воды от 10°С

до 100°С:

M= Q1 = 18.84 = 21.91 кг. Q2 0.86

Таким образом, для нагрева воды требуется около 22 кг дров.

5.2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРА ГОРЕНИЯ

Температура горения любого вещества не является постоянной величиной. Она зависит от условий горения (в замкнутом объеме или на открытом воздухе), от условий теплоотдачи, полноты сгорания топлива, коэффициента избытка воздуха и других факторов.

Для сравнения температуры горения Тг разных веществ расчет ведется при строго одинаковых следующих условиях.

∙Горючее и воздух вступают в реакцию горения при температуре Т = 0°С.

∙Количество воздуха равно теоретически необходимому, то есть коэффициент избытка воздуха α=1.

∙Горение происходит мгновенно до полного окисления (СО2, Н2О, SO2) без образования промежуточных продуктов неполного горения (например, угарного газа СО).

∙Вся выделенная теплота сообщается продуктам горения и расходуется

исключительно на их нагревание.

Рассчитанная при этих условиях температура называется теоретической. Практически реализуемая температура горения T (при пожарах, при горении в

64

печах, каминах, камерах сгорания и других технических устройствах) всегда ниже теоретической Tг. Это связано с тем, что реальный процесс горения происходит с избытком воздуха, в условиях неполного сгорания. Кроме того, теплота горения частично расходуется на нагрев окружающей среды, а при температурах выше 1700°С – на диссоциацию продуктов горения.

Например, при горении древесины, отличие Тг от практически реализуемой температуры горения может достигать более 500°С (табл. 5.6).

Таблица 5.6

Температура горения древесины

Расчет теоретической температуры горения

При определении теоретической температуры горения Тг предполагается, что вся выделившаяся теплота сообщается продуктам сгорания. Температура, до которой нагреются продукты сгорания, зависит от количества сообщаемой им теплоты, состава и количества продуктов сгорания и их удельной теплоемкости. Для расчета теоретической температуры горения Тг запишем уравнение теплового баланса.

Поскольку продукты сгорания реальных топлив, как правило, состоят из разных газов, теплоемкость и плотность которых различны, то эта формула (5.4) записывается в следующем виде:

Соответственно, формула для расчета с учетом (5.6) примет вид

65

i

Для повышения точности расчетов необходимо учитывать зависимость теплоемкости газов от температуры. Однако, для оценочных расчетов можно принять средние значения теплоемкости (табл. 5.7).

Таблица 5.7 Средняя теплоемкость (сp) газов в диапазоне температур (1000÷3000) °С

Расчет теоретической температуры горения Тг проводится в следующем порядке.

∙Рассчитывается количество и состав продуктов горения, образующихся при сгорании 1 кг заданного топлива в соответствии с методикой, изложенной выше (раздел 4.4).

∙Рассчитывается по формулам (5.1) или (5.2), или определяется из таблиц теплотворная способность топлива Q.

∙Рассчитывается теоретическая температура горения Тг по формуле

(5.7).

В качестве примера определим теоретическую температуру горения каменного угля, элементный состав которого приведен в табл. 5.8., при коэффициенте избытка воздуха α=1.5.

∙Проведем расчет теплотворной способности рассматриваемого топлива по формуле Менделеева (5.1):

Qн=0.339·76+1.025·4.5+0.1085·4.7–0.1085 ·3.5–0.025 ·3.0=29.92 МДж/кг.

∙Проведем расчет теоретической температуры горения по формуле

(5.7):

66

Таким образом, теоретическая температура горения каменного угля при коэффициенте избытка воздуха α=1.5 в условиях постоянного давления (на открытом воздухе) составляет около 1600°С.

6.ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА

Взрыв – это процесс чрезвычайно быстрого физического или химического превращения вещества, сопровождающийся столь же быстрым превращением потенциальной энергии вещества в механическую работу. Самая существенная черта взрыва – внезапное и резкое повышение давления в среде, окружающей место взрыва. Обычный внешний признак взрыва – значительный звуковой эффект.

6.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЗРЫВОВ

Примеры взрывов, вызванных физическими причинами, – это взрыв паровых котлов (перегрев пара или мгновенное испарение воды при подаче ее в перегретый котел; взрыв газовых баллонов при их нагреве). Эти взрывы, как правило, вызваны превышением допустимого давления расчетной прочности стенок баллона или котла.

Далее будем рассматривать взрывы при химическом превращении веществ. Пример – взрыв черного (дымного) пороха при выстреле из охотничьего ружья. При этом происходит быстрая химическая реакция, в результате которой образуются газообразные и твердые продукты сгорания и выделяется теплота. Образовавшиеся газы, обладающие высокой температурой и давлением, совершают механическую работу по разгону пули до необходимой скорости.

Взрывчатыми веществами называются такие вещества, при химическом превращении которых происходят взрывы.

Взрыв может быть вызван следующими причинами.

∙Нагревание.

∙Укол.

∙Удар.

∙Трение.

∙Детонация (передача энергии взрыва другого взрывчатого вещества). Явление взрыва всегда характеризуется следующими факторами.

∙Очень большая скорость химического превращения.

∙Выделение газов.

∙Выделение теплоты.

Только при наличии всех этих факторов будет происходить процесс взрывчатого превращения. Каждое из этих условий является необходимым, но недостаточным для того, чтобы та или иная химическая реакция могла быть

67

отнесена к категории взрыва. Например, при горении термитной смеси выделяется теплота (нагрев продуктов реакции до 30000С, реакция протекает очень быстро, но не выделяются газообразные продукты). Поэтому такая реакция не является взрывчатым превращением.

Наиболее характерным для взрыва является большая скорость химических превращений. Процесс взрыва длится в промежуток времени ~ (10-2÷10 -5) с. Например, боевой заряд в орудии среднего калибра сгорает за время ~ 0.008 с, шашка тола массой 400 г – за время ~ 10-5 с. Только за счет такого быстрого превращения у взрывчатых веществ получается огромная по сравнению с другими источниками энергии мощность, хотя общие запасы энергии у них не больше, а в некоторых случаях даже меньше, чем у обычных горючих веществ. При взрыве взрывчатого вещества образуется большое количество газов, обладающих высокой температурой и давлением. Количество выделяющихся при взрыве газов определяется по объему, который они занимали бы при нормальных условиях, то есть при температуре Т = 00С и давлении р = 760 мм ртутного столба. Например, при взрыве 1 кг пироксилинового пороха в таких условиях выделяется 0.845 м3 газов.

В зависимости от скорости взрывчатого превращения различают следующие его формы:

∙Быстрое сгорание.

∙Обыкновенный взрыв.

∙Детонация.

При быстром сгорании процесс взрывчатого превращения протекает в массе взрывчатого вещества со скоростью порядка нескольких метров в секунду, а на сам процесс большое влияние оказывают внешние условия. Если горение происходит на открытом воздухе, оно не сопровождается звуковым эффектом или механической работой разрушения или перемещения. Если горение происходит в замкнутом или полузамкнутом объеме, то процесс идет более энергично и сопровождается резким звуком. Для быстрого горения характерно относительно быстрое, но плавное нарастание давления газов (артиллерийский выстрел, газогенератор для вытеснения нефтяных пластов, пороховой газогенератор автомобильной подушки безопасности и т.д.).

При обыкновенном взрыве процесс превращения в массе взрывчатого вещества протекает со скоростями в несколько сотен метров в секунду. Обыкновенный взрыв характеризуется резким повышением давления в месте взрыва, ударом газов о преграду и разрушением (раскалыванием или дроблением) преграды, находящейся на небольшом расстоянии от места взрыва.

При детонации процесс превращения в массе взрывчатого вещества протекает с максимально возможной в данных условиях скоростью (обычно 5 ÷ 7 километров в секунду). Детонация характеризуется особенно резким скачком давления, сильным ударом газов о преграду и большим ее разрушением. Примеры детонации – все виды взрывов взрывчатых веществ, вызванных детонатором (разрыв снаряда, мины, гранаты, подрывной шашки и т.д.).

68

6.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

Взрывчатые вещества представляют собой неустойчивые химические соединения или смеси, способные под влиянием незначительных внешних воздействий к очень быстрым химическим превращениям. Взрывчатые вещества отличаются от обычного горючего вещества тем, что процесс взрывчатого превращения в нем происходит за счет кислорода, содержащегося в самом взрывчатом веществе. При горении обычных горючих веществ кислород необходимо подводить извне (из атмосферы) с ограниченной скоростью. Взрывчатые вещества являются основными источниками энергии для выброса снаряда (пули) из канала ствола и для действия снаряда у цели (поражение и разрушение).

К взрывчатым веществам предъявляются следующие основные требования.

∙Достаточное содержание энергии и высокая мощность, обеспечивающие необходимое метательное действие или разрушительный эффект.

∙Жесткие границы чувствительности, обеспечивающие безопасность в обращении и одновременно легкость возбуждения взрыва.

∙Стойкость при хранении.

∙Низкая себестоимость производства.

Содержание энергии и мощность взрывчатого вещества определяется на основании совокупности их энергетических характеристик.

∙Теплота взрыва – это теплота, выделяющаяся, при взрыве 1 кг взрывчатого вещества Qв, Дж/кг.

∙Объем образующихся газообразных продуктов при взрыве 1 кг взрывчатого вещества Vв , м3/кг.

∙Температура взрывчатого превращения Тв , °С.

∙Скорость детонации (взрывчатого превращения) ив , км/с.

∙Потенциальная энергия Аmax , Дж/кг – это наибольшая теоретически возможная работа, которая может быть совершена при взрыве 1 кг данного взрывчатого вещества; численно она совпадает с теплотой взрыва:

где tв – время действия взрыва.

Основные энергетические характеристики для наиболее распространенных взрывчатых веществ приведены в табл. 6.1.

69

Таблица 6.1 Энергетические характеристики некоторых взрывчатых веществ

В качестве примера определим потенциальную энергию и мощность боевого заряда 85-мм танковой пушки. Заряд – пироксилиновый порох массой М = 2.6 кг (Qв = 3391 Дж/кг, коэффициент полезного действия α=0.3, время движения снаряда в стволе 0.01с). При сгорании заряда выделяется теплота, равная

Q = Qв × М = 3391× 2.6 = 8.817 МДж.

В соответствии с формулой (6.1), общая мощность равна

Рв = Q = 8.817 = 881.7 МВт . tв 0.01

С учетом коэффициента полезного действия мощность боевого заряда 85-мм танковой пушки равна

P = aРв = 0.3 ×881.7 = 264.5 МВт .

Для наглядности переведем мощность заряда пушки в лошадиные силы

(1 л.с. = 735.5 Вт):

Таким образом, при выстреле из 85-мм пушки развивается мощность, равная 360 тысяч лошадиных сил. Пока нет такой машины, которая была бы способна развить такую мощность.

Чувствительностью взрывчатого вещества называется его способность взрываться под влиянием внешних воздействий (нагревание, укол, удар, трение). Слишком чувствительные взрывчатые вещества опасны в обращении и в чистом виде применяются редко. Малочувствительные взрывчатые вещества невыгодны, так как для их инициирования требуется очень много энергии. Чувствительность взрывчатых веществ зависит, в первую очередь, от его состава, а также от других условий.

70